Development of a laboratory installation for studying the tunnel effect

Abstract

Аннотация. Туннелирование электронов и других квантовых частиц через потенциальный барьер лежит в основе многих явлений атомной и ядерной физики, физики твердого тела и сверхпроводников. С туннельным эффектом начинают знакомиться в школе (и продолжают в вузе) в рамках раздела «квантовая физика», имеющем свою специфику, связанную с характером изучаемых квантовых явлений, для наблюдения за которыми необходимо достаточно сложное экспериментальное оборудование. В связи с этим возникает актуальная проблема в разработке доступного, недорогостоящего лабораторного оборудования для изучения квантовых явлений.В настоящей работе описывается опыт разработки авторами лабораторной установки для построения вольтамперной характеристики туннельного диода (ТД) динамическим способом и исследования туннельного эффекта путем анализа особенностей вольтамперной характеристики туннельного диода. Произведен обзор литературы, в том числе патентный поиск. Произведена постановка задачи по разработке лабораторной установки, не уступающей существующим аналогам. Описан состав экспериментальной установки, представлены принципиальные схемы основных элементов: генератора пилообразных напряжений, двухтактного эмиттерного повторителя напряжений, инструментальных усилителей. Показан внешний вид прибора «Туннельныйэффект», размещенного в пластмассовом корпусе размером 180х120х70 мм и весящего не более 400 г. В качестве результатов представлены осциллограммы напряжения и синхроимпульсов, выдаваемые генератором пилообразных напряжений, а также осциллограмма вольтамперной характеристики арсенид-галлиевого туннельного диода АИ306К. Полученные параметры данного диода хорошо согласуются со справочными данными. В разработанной лабораторной установке авторам удалось подавить высокочастотный скачок и существенно уменьшить амплитуду низкочастотного скачка на вольтамперной характеристике, снизив её до 15 % от максимального тока. Полученные результаты количественно и качественно превосходят результаты измерений ряда аналогов. В заключении отмечается, что авторами был разработан и изготовлен эффективный аналоговый блок подавления паразитной генерации туннельного диода на падающем участке вольтамперной характеристики.